Lasertechnik in der Medizin: Grundlagen·Systeme·Anwendungen

344 Pages·1991·14.336 MB·German

by  Prof. Dr. Jürgen Eichler, Prof. Dr. med. Dr. rer. nat. Theo Seiler (auth.)

Laser in Technik und Forschung
Herausgegeben von
G. Herziger und H. Weber
Jürgen Eichier
Theo Seiler
Lasertechnik
in der Medizin
Grundlagen· Systeme' Anwendungen
Mit 146 Abbildungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Prof. Or. ]ürgen Eichler Prof. Or. med. Or. rer. nato Theo Seiler
Fachbereich 2 Universitätsaugenklinik
Technische Fachhochschule Berlin FU Berlin
Luxemburger Straße 10 Fürstenbrunnerweg
1000 Berlin 65 1000 Berlin 19
Herausgeber der Reihe:
Prof. Or.-Ing. Gerd Herziger
Fraunhofer Institut rur Lasertechnik Aachen
5100 Aachen
Prof. Or.-Ing. Horst Weber
Festkörper-Laser-Institut Berlin GmbH
1000 Berlin 12
ISBN 978-3-540-52675-9 ISBN 978-3-662-08272-0 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-08272-0
CI P-Tltelaufnahme der Deutschen BIblIOthek
Elchler. Jurgen
LasertechnIk In der MedIZIn
Grundlagen, System, Anwendungen / Jurgen EIehier , Theo Selier -
Berhn , Heldelberg , NewYork , London , Pans, Tokyo ,HongKong,
Barcelona, Budapest Spnngcr, 1991
(Laser In Techmk und Forschung)
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© 1991 Springer-Verlag Berlin Heidelberg
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag New York Berlin Heidelberg New York 1991
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Dieses Buch ist unseren Kindern gewidmet
Geleitwort der Herausgeber zur Reihe
Die Bedeutung des Lasers sowohl in seinen Anwendungen als auch im
wissenschaftlichen Bereich erkennt man am besten daran, daß die Laser
technik sich von der Laserphysik getrennt hat und dabei ist, sich zu einer
eigenständigen Disziplin zu entwickeln, so wie viele andere Bereiche der
Ingenieurwissenschaften. Das führt auch zu einer eigenen Sprache, zu an
deren pragmatischen Definitionen und Begriffen. Anwender interessieren
weniger die fundamentalen, physikalischen Herleitungen, sie möchten hand
liche Formeln, Zahlenwerte und Anwendungsvorschriften.
In diesem Sinne wendet sich die vorliegende Buchreihe an den Ingenieur
und Physiker, die den Laser in der Praxis einsetzen wollen, wobei der
Schwerpunkt z.Z. im Bereich der Materialbearbeitung liegt.
In einer Reihe von Monographien werden die verschiedenen Anwendungs
bereiche behandelt. Der Reihe vorangestellt sind einführende Bände, die die
Grundlagen der Laserphysik, der Resonatoren und der Laserelemente
behandeln. Dem schließen sich zwei Bände an, die die beiden z.Z. wichtig
sten Lasersysteme, Festkörper-Laser mit Schwerpunkt Neodym-Laser und
CO2- Laser, als industrielle Systeme beschreiben. Jeder Band ist in sich ab
geschlossen und verständlich, d.h. die wichtigsten Begriffe die benutzt
werden, sind jeweils dargestellt.
Die Reihe wird fortgesetzt mit Monographien zu allen Bereichen der Laser
anwendungen. Die Auflagen sind begrenzt, um möglichst schnell aktuelle
Ergebnisse in Neuauflagen berücksichtigen zu können.
Aachen und Berlin, im April 1991 Prof. Dr. G. Herziger
Fraunhofer Institut für Laser-Technik
Lehrstuhl für Laser-Technik
der RWTH Aachen
Prof. Dr. H. Weber
Festkörper-Laser Institut Berlin GmbH
Optisches Institut der TU Berlin
Vorwort
Seit der Realisierung des Lasers im Jahre 1960 hat der Einsatz dieser
neuen Strahlenquelle in der Medizin einen weltweiten Aufschwung
erfahren, der verstärkt anhält. Nachdem in den ersten Jahren im we
sentlichen nur Laser zur Verfügung standen, die für die physikalische
Grundlagenforschung entwickelt wurden, hat sich die Industrie auf
die medizinische Lasertechnik eingestellt. Es wurden eine Reihe von
kompletten Geräten entwickelt, die der Mediziner ohne größeres
Fachwissen handhaben kann. Dabei handelt es sich insbesondere um
den COz-, Nd:YAG-, Farbstoff- und Argonlaser. Neben diesen klassi
schen Typen werden zunehmend neue Laser in die Medizin einge
führt, wie der Er:YAG-, Holmium-, Metalldampf- oder Excimerlaser.
Die Laser werden mit einer Reihe· von medizinisch-optischen Bauele
menten und Geräten gekoppelt, um die Strahlung optimal an den
Einsatzort zu bringen. Daher kommt der Entwicklung von Strahlfüh
rungssystemen, Laserendoskopen und -mikroskopen eine große Be
deutung zu; auch Schutzeinrichtungen, wie Laserbrillen, und spezielle
Operationsbestecke sind Teil dieser neuen Technologie.
Im Laufe der Jahre wurden eine Reihe bekannter und neuer Mecha
nismen der Wirkung von Laserstrahlung auf Gewebe untersucht, die
zu neuen Anwendungen in der Medizin geführt haben. Man kann
zwischen thermischen Effekten, Photoablation, Photodisruption, Pho
tosensibilisierung und anderen photochemischen Wirkungen unter
scheiden.
Licht wird in der Medizin seit langem eingesetzt, insbesondere in der
Ophthalmologie und Dermatologie. Der Gebrauch des Lasers eröffnet
IX
neue Behandlungsfelder in nahezu allen medizinische Disziplinen,
deren Aufzählung dem Inhaltsverzeichnis zu entnehmen ist. Ohne
Zweifel bleibt aber die Augenheilkunde, in der einer der Autoren tä
tig ist, das wichtigste Anwendungsgebiet.
Dank gebührt Frau Seifert für die Übertragung des Manuskriptes in
den Rechner. Herzlich danken wir Rebekka Orlowsky, M.A., für die
sprachliche Überarbeitung und mehrfache Korrektur des Buches. Das
Laser-Medizin-Zentrum, Berlin, stellte uns einige Abbildungen zur
Verfügung. Wir danken dem Springer-Verlag für die Anregung zu
diesem Buch und für seine fördernde Betreuung.
Berlin, Mai 1991 Prof.Dr. J. Eichier Prof.Dr.Dr. T. Seiler
Inhaltsverzeichnis
1 Grundlagen medizinischer Lasergeräte .. ......... ... ... ... ... ... ... ...... .......
1
1.1 Prinzipien des Lasers ..................................................................... 1
1.1.1 Eigenschaften von Licht ................... ......... ......... ...... 2
1.1.2 Verstärkung von Licht ............................................. 5
1.1.3 Erzeugung der Inversion .......................................... 9
1.1.4 Entstehung von Laserstrahlung ............................... 11
1.2 Innere Bauelemente des Lasers ................ ...... ......... ...... ......... .... 14
1.2.1 Optik von Resonatoren ........ .............................. ..... 14
1.2.2 Beeinflussung der Wellenlänge .... ............ ............... 19
1.2.3 Veränderung der Pulsbreite ..................................... 24
1.3 Äußere Optische Bauelemente ......... ....................................... ...... 28
1.3.1 Linsen und Prismen .................................................. 28
1.4.2 Optische Materialien ...... .......................................... 30
1.3.3 Schichten und Filter ................................................. 31
1.3.4 Modulatoren ............................................................... 34
1.3.5 Optische Fasern ............................ ............ ................ 36
1.4 Optische Medizinische Geräte ..................................................... 42
1.4.1 Operations mikroskope .............................................. 42
1.4.2 Starre Endoskope .............................. ...... ............ ..... 45
1.4.3 Flexible Endoskope ...... ............................................. 49
1.4.4 Ophthalmologische Geräte ....................................... 50
XI
2 Eigenschaften verschiedener Lasertypen .. ...... ...... ......... ... ...... .....
55
2.1 Gaslaser .... ... ...... ... ... ... ... ... ... ... ... ........ .... ...... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..... 55
2.1.1 CO -Moleküllaser .................................................... 55
2
2.1.2 He-Ne-Laser .............................................................. 62
2.1.3 Edelgas-Ionenlaser .................................................... 66
2.1.4 Excimerlaser .............................................................. 70
2.1.5 Metalldampf-Laser ................................................... 75
2.1.6 Chemische Laser ....................................................... 78
2.1.7 Stickstofflaser .......................................................... 80
2.2 Festkörper- und Farbstofflaser ...... ... ...... ... ...... ... ... ...... ... ......... ... 81
2.2.1 Neodymlaser .............................. ............................... 81
2.2.2 Frequenzvervielfachter Nd:YAG ............................... 86
2.2.3 Erbiumlaser ............................. ................................. 88
2.2.4 Andere Festkörperlaser ............................................ 89
2.2.5 Farbstofflaser ....................... ......... ............................ 91
2.2.6 Diodenlaser .......................................... ...................... 96
3 Lasergeräte für medizinische Anwendungen .............................
101
3.1. Laser In der Ophthalmologie .. ... ..... .... ... ... ... ... ... ... ......... ... ......... 101
3.1.1 Ophthalmologischer Argonlaser ............................... to1
3.1.2 Alternativen zum Argonlaser ................................... 103
3.1.3 Gepulster Nd:YAG-Laser .......................................... toS
3.1.4 Neuere Entwicklungen - Excimerlaser,
cw-Nd:Y AG-Laser ..................................................... 107
3.2 Chlrurglsche Laser .... ... ... ......... ...... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...... ... .... 108
3.2.1 Chirurgischer CO -Laser .......................................... 108
2
3.2.2 Neodym-Koagulationslaser ........................................ 113
3.2.3 Medizinischer Ar-Laser ............................................. 119
XII
3.3 Lasergeräte zur Biostimulation ........ ... ... ... ...... ...... ... ...... ... ...... .... 121
3.3.1 Medizinische Bestrahlungslaser ............................... 121
3.3.2 Bestrahlungs-Scanner ................................................ 124
3.3.3 Reiztherapie-Laser ..................................................... 126
3.4 Laser-Endoskope und - Mikroskope ............................................ 129
3.4.1 Laser-Endoskope ....................................................... 129
3.4.2 Laser-Mikroskope ..................................................... 135
3.4.3 Geräte für die Angioplastie ..................................... 137
3.4.4 Geräte für die Lithotripsie ....................................... 140
3.5 Medizinisches Zubehör .................................................................. 141
3.5.1 Laser-HandsWcke ...................................................... 141
3.5.2 Spiegelgelenkarme ..................................................... 143
3.5.3 Absaugung und Spülung .......................................... 144
3.5.4 Chirurgisches Zubehör ............................................. 146
3.5.5 Narkose-Zubehör ........................................................ 147
3.5.6 Strahlungsdetektoren ............................................... 148
3.6 Schutz vor Laserstrahlung . ..................... ............ ............ ...... ... .... 150
3.6.1 Gefährdung des Auges ............................................. 151
3.6.2 Grenzwerte ......... ....................................................... 154
3.6.3 Laserklassen .............................................................. 156
3.6.4 Schutzbri lIen .............................................................. 161
3.6.5 Strahlenschutz im OP ............................................... 166
4 Wirkung von Laserstrahlung auf Gewebe ...................................
171
4.1 Optische Eigenschaften von Gewebe ......................................... 171
4.1.1 Modelle zur Lichtausbreitung .................................. 171
4.1.2 Optische Daten von Gewebe .................................... 180
4.1.3 Zur Optik der Haut ................................................... 186